公路隧道照明燈具眩光仿真分析

鄭 晅， 李 志,李 雪

(長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

引言

眩光是指視野中由于不適宜的光源亮度分布，或在空間或時(shí)間上存在極端的亮度對(duì)比，以致引起視覺不舒適和降低物體可見度的視覺現(xiàn)象[1]。道路燈具設(shè)置不合理，導(dǎo)致駕駛員無法獲取或遺漏重要交通信息，做出錯(cuò)誤決定，嚴(yán)重影響駕駛安全。良好的道路照明能使城市道路交通事故下降30%，鄉(xiāng)村道路交通事故下降 45%，高速公路交通事故下降30%[2,3]。因此，減少燈具眩光對(duì)駕駛安全有重要意義。

Holladay[4]于1926年提出眩光是由視網(wǎng)膜細(xì)胞受到刺激而發(fā)生的，但是后來的研究者卻認(rèn)為眩光是光線在眼內(nèi)介質(zhì)散射引起的[5]。近年來，人們對(duì)影響眩光的因素如觀測者年齡、照明燈具出光方式、照明燈具種類選擇等做了深入研究[6-9]，可以看出合理的選擇與設(shè)置燈具參數(shù)可以的有效地限制眩光。CIE[10]針對(duì)失能眩光做了說明，給出了已知光強(qiáng)分布的燈具的失能眩光閾值增量計(jì)算方法，但是實(shí)際計(jì)算中存在較大的誤差，導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。而且CIE僅對(duì)視線高度為1.5 m的觀測者做了閾值增量的說明，但眩光影響取決于燈具高度與人眼視線高度的差值，同樣還與觀測角度密切相關(guān)。Rafael等[11]提出了一種根據(jù)公路地段的地理位置、道路幾何設(shè)計(jì)和環(huán)境的物理特征，確定一年中某一特定路段的日照可能產(chǎn)生失能眩光的天數(shù)和時(shí)間方法。張明宇等[12]運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，測得閾值增量與水平距離與垂直高度的關(guān)系，得到立交橋下不同位置閾值增量的測試點(diǎn)，但在TI計(jì)算時(shí)未考慮車輛車棚對(duì)光線遮擋作用，因此結(jié)果存在一定誤差。隧道照明不同于道路照明，隧道是一個(gè)封閉的空間，隧道側(cè)壁對(duì)光線的反射會(huì)使得隧道路面平均亮度不同與道路照明。Pachamanov[13]與陳為民等[14]分別運(yùn)用線性與非線性方法對(duì)長隧道燈具眩光限制做了分析，然而他們的研究是在原有燈具空間位置上進(jìn)行燈具配光曲線的優(yōu)化，燈具的位置參數(shù)固定，不能得到燈具空間位置對(duì)眩光的影響，從而得到最佳的照明設(shè)置方法。因此，這些先前的研究結(jié)果不能更好的應(yīng)用于隧道照明環(huán)境，如何實(shí)現(xiàn)隧道照明燈具的眩光評(píng)價(jià)是一個(gè)迫切需要解決的問題。

LED燈具因其節(jié)能、使用壽命長、顯色性高、配光效果好、能效高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于道路與隧道照明，逐漸取代高壓鈉燈成為當(dāng)前照明的首要選擇[15-17]。本文運(yùn)用閾值增量來評(píng)價(jià)公路隧道照明眩光[18]，利用DIALux照明仿真軟件建立隧道三維模型，在滿足我國隧道照明規(guī)范[19]的前提下，分析LED燈具的安裝位置對(duì)不同車型駕駛員視覺眩光感受的影響，為隧道安全運(yùn)營提供指導(dǎo)意見。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)與仿真建模

1.1 閾值增量TI

眩光之所以會(huì)給隧道內(nèi)的駕駛員帶來巨大的干擾，是因?yàn)檠９庠蠢锏牟糠稚⑸涔鈺?huì)直接射入駕駛員的眼睛導(dǎo)致眼睛里產(chǎn)生了等效光幕，減弱了人眼的視覺感知，從而也對(duì)視功能產(chǎn)生了影響。閾值增量(TI)根據(jù)等效光幕亮度的定義，與影響視覺功能的對(duì)比度閾值結(jié)合起來，得到了眩光狀態(tài)下人眼恰好能識(shí)別出目標(biāo)物所應(yīng)該補(bǔ)充的有效對(duì)比的比值。

在背景亮度大小為0.05 cd/m2

(1)

K是和觀測者年齡有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)觀測者為23歲時(shí)，K為650，其他年齡的值的值可由式(2)求得：

(2)

式(2)中A是觀測者的年齡，單位年。

當(dāng)Lav>5 cd/m2時(shí)，TI的算法變成[10]：

(3)

并且對(duì)于23歲的觀測者K不再是650，而是950。

計(jì)算TI時(shí)從上述觀察者的初始位置開始，然后觀察者以與亮度計(jì)算時(shí)相同的縱向間距和點(diǎn)數(shù)向前移動(dòng)，反復(fù)計(jì)算，得到一系列 TI 值，其中最大的即為所求的值。

1.2 仿真模型建立

在照明仿真軟件DIALux中建立隧道仿真模型，模型長1 000 m、寬10.5 m、高6.8 m，設(shè)置為瀝青混凝土路面和瓷磚墻面，墻面鋪設(shè)反射率設(shè)為0.7，隧道模型頂棚材料反射率設(shè)為0。通過對(duì)陜西部分隧道的調(diào)研數(shù)據(jù)知，燈具布設(shè)高度在3.5～5.5 m之間，布設(shè)間距集中在9～12 m，為研究燈具布設(shè)參數(shù)對(duì)眩光等級(jí)的影響，仿真模型中燈具距地面高度分別為3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m，燈具間距分別為8 m、9 m、10 m、11 m、12 m。隧道模型內(nèi)按照兩側(cè)對(duì)稱布燈，圖1為隧道燈具布設(shè)一工況下的截面圖。采用光通量為8 110 lm，功率為85 W的蝙蝠翼型配光曲線LED 作為仿真燈具。

圖1 隧道燈具布設(shè)截面圖Fig.1 Cross-section view of tunnel lightingarrangement

在對(duì)隧道照明眩光影響的仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)TI計(jì)算中涉及駕駛員視角及等效光幕面等參數(shù)進(jìn)行說明，確保仿真結(jié)果的可靠性。

1.2.1 駕駛員視角大小的確定

駕駛員在隧道行駛時(shí)外界干擾小，注意力集中于前方。CIE[10]計(jì)算失能眩光時(shí)以注視角為1°時(shí)計(jì)算，但Catalin[20]卻認(rèn)為這個(gè)值應(yīng)該更小。注視角的大小取決于行駛速度對(duì)應(yīng)的停車視距與人眼視線高度。隧道中小型車輛運(yùn)行速度在60～80 km/h，駕駛員的注視點(diǎn)在車前方56～100 m處。由圖2可知注視角可由式(4)計(jì)算得到。

(4)

當(dāng)h為1.26 m時(shí)，若行車速度為60 km/h，α1=1.28°；若行車速度為80 km/h，α2=0.7° ?？梢娷囕v駕駛在限定速度時(shí)，注視角α的變化很小，一般取1°。

1.2.2 等效光幕面的確定

在TI眩光計(jì)算時(shí)，最重要的一步就是計(jì)算等效光幕的亮度，將眼睛表面垂直于視線平面的照度定義為等效光幕面。而駕駛員視角的不同會(huì)直接影響等效光幕面的角度變化，導(dǎo)致等效光幕面的照度改變。因此需要精準(zhǔn)設(shè)定等效光幕面的角度與大小。

1)等效光幕面角度的確定。等效光幕面的角度與駕駛員的注視角直接相關(guān)，而不同車型的駕駛注視角也有所不同。大型車輛視線高度h約為2.45 m，則駕駛?cè)藛T注視角約是2°左右；小型車輛視線高度為1.26 m，駕駛員的注視角度大約是1°左右。

圖2 隧道照明分析示意圖Fig.2 Tunnel lighting analysis diagram

2)等效光幕面大小的確定。駕駛員在隧道中正常駕駛時(shí)，并不是所有燈光都對(duì)駕駛員視覺眩光產(chǎn)生影響。由于駕駛車窗及車體的遮擋(如前車蓋)，正常駕駛狀態(tài)下進(jìn)入駕駛員眼中的燈光僅為與車體的前擋風(fēng)玻璃大小相似，由于前擋風(fēng)玻璃會(huì)削弱眩光源光現(xiàn)射入人眼的強(qiáng)度，因此等效光幕面應(yīng)設(shè)置在人眼高度，與注視角垂直，距人眼0.3 m處。對(duì)于小型車來說縱向網(wǎng)格大小應(yīng)為寬1.5 m，高0.5 m；大型車的縱向網(wǎng)格大小為寬2.5 m，高0.8 m。DIALux中等效光幕面接收的是來自隧道各個(gè)方向上的光，這一點(diǎn)明顯與駕駛?cè)藢?shí)際感受不同，因此需在視點(diǎn)照度模擬受光面后部構(gòu)建一塊面積與光幕面平行且大小一樣不透光且不反光的擋板，以控制光分析面背面的干擾[21]。

1.2.3 觀測者與第一個(gè)燈具水平距離d1的確定

在計(jì)算隧道眩光時(shí)，由于車輛頂棚的擋光角為20°，意味著處于車棚之外的眩光源將不予考慮。計(jì)算眩光的計(jì)算流程和范圍為：第一個(gè)燈具總是位于20°平面上，逐一依次計(jì)算500 m以內(nèi)同一排燈具做產(chǎn)生的光幕亮度并進(jìn)行累加，得到眩光等級(jí)大小TI。由計(jì)算流程知當(dāng)θ-α=20°時(shí)，第一個(gè)燈具與人眼的水平距離為d1。則有：

(5)

表1為不同高度下觀測者眼睛位置與第一盞燈具的水平距離。

表1 不同燈具高度下d1的取值Table 1 Value of d1 under different lamp heights

2 結(jié)果與討論

對(duì)不同高度、間距組合下的燈具設(shè)置方式仿真，記錄相應(yīng)工況下隧道的平均亮度、均勻度及人眼等效光幕亮度，根據(jù)公式計(jì)算得到相應(yīng)的閾值增量。

如圖3所示，當(dāng)布燈間距一定時(shí)，路面平均亮度隨高度的增加出現(xiàn)緩慢減??；而在高度一定時(shí)，平均亮度隨布燈間距的增大大幅減小。路面亮度與路面均勻度是一對(duì)矛盾量，不能同時(shí)達(dá)最佳，在考慮照明質(zhì)量時(shí)應(yīng)有所取舍。在布燈間距一定時(shí)，路面的均勻度在從3.5 m升到4 m時(shí)有大幅地提升，之后趨于穩(wěn)定，基本維持在0.72；而當(dāng)燈具高度大于等于4 m時(shí)，布燈間距對(duì)均勻度的影響較小。

圖3 LED兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)下隧道的平均亮度值與均勻度值Fig.3 Average brightness valueand uniformity value of the tunnel under symmetric arrangement on both sides of the LED

2.1 燈具布設(shè)對(duì)眩光的影響

2.1.1 布燈間距對(duì)眩光的影響

從圖4可以看出，在高度一定時(shí)，隨著布燈間距的增加，不同布燈方式下的兩種車型的閾值增量都呈上升趨勢，這與張明宇等[12]的研究一致。說明增加布燈間距對(duì)駕駛?cè)说难９庥绊懺龃?，不利于安全駕駛。以小型車為例，在布設(shè)高度為定值時(shí)，隨布設(shè)間距的增加，閾值增量的增長率在1%～13%之間，且增長率呈現(xiàn)下降趨勢。但從仿真結(jié)果可以看出，閾值增量增長率僅在燈具布設(shè)高度為3.5 m時(shí)，間距從8～9 m的工況下超過12%，其他工況下閾值增長率均小于10%，閾值增量增長速率較小。燈具高度大于等于4 m時(shí)閾值增量小于15%，燈具高度大于等于4.5 m時(shí)閾值增量小于10%，符合我國隧道照明要求。因此，對(duì)于小型車而言燈具高度大于4 m時(shí)，增加燈具布設(shè)間距引起的眩光等級(jí)大小差異較小。高度一定時(shí)，眩光的差異主要取決于第i(i>1)個(gè)燈具在人眼處產(chǎn)生的等效光幕亮度，在仿真的五種間距中，第i(i>1)個(gè)眩光源在人眼處的照度的減小量小于其與人眼視線角度平方的減小量，因此閾值增量增加。但這并不表明閾值增量會(huì)隨間距的增加一直增加，如只有第一個(gè)眩光源(第二個(gè)眩光源無窮遠(yuǎn))自然閾值增量會(huì)很小。這與YANG等[7]對(duì)三種照明方式研究中增加間距閾值增量的變化規(guī)律不同，原因可能是間距的取值范圍有限導(dǎo)致。

圖4 (a)～(e) 兩側(cè)對(duì)稱時(shí)不同布燈間距下的閾值增量Fig.4 (a)～(e) Threshold increments at different lamp spacings when symmetrical layout on both sides

2.1.2 布燈高度對(duì)眩光的影響

如圖5所示，在布燈間距一定時(shí)，閾值增量隨燈具高度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，但其下降速率隨高度的增加變得緩慢，說明增加布燈高度可以有效限制眩光。當(dāng)布燈高度較低時(shí)，駕駛員視線與燈具之間的角度θ較小，導(dǎo)致更多的光進(jìn)入人的眼睛，眩光影響大，而增加布燈高度后，θ變大，進(jìn)入人眼的光線減小，眩光程度減弱。以小型車為例，在圖5中可以看出布燈高度為3.5 m時(shí)，五種間距下的閾值增量在13.6%～16.7%，部分工況下眩光等級(jí)超出我國隧道照明標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)給駕駛員帶來較為嚴(yán)重的眩光刺激，不利于駕駛安全。在低高度照明時(shí)，駕駛?cè)瞬辉僦荒芸吹脚c視線20°角以內(nèi)的燈具亮點(diǎn)，而是能看見與視線接近90°內(nèi)的所有亮點(diǎn)[22]。當(dāng)布設(shè)間距為定值時(shí)，增加布設(shè)高度，閾值增量的減小率在8%～25%；在高度由3.5～5.5 m變化的過程中，閾值增量減小率由24%下降到10%。因此，當(dāng)增加布燈高度時(shí)，眩光感受可以得到明顯的減緩，但閾值增量的減小幅度呈現(xiàn)遞減趨勢，這說明在高度增加到5.5 m后，再通過增加布設(shè)高度的手段來減小燈具眩光是不明智的。

圖5 兩側(cè)對(duì)稱時(shí)不同布燈高度下的閾值增量Fig.5 Threshold increments at different lamp heights when symmetrical layout on both sides

2.2 視線高度對(duì)眩光的影響

眩光的大小受眩光源在人眼中產(chǎn)生的等效光幕亮度與眩光入射方向與視線的夾角的影響。對(duì)于固定高度的燈具，駕駛者的視線越高，眩光入射方向與視線的夾角越小，這也導(dǎo)致了進(jìn)入人眼的光線更多，產(chǎn)生的等效光幕亮度更大。從圖4可以看出，在布燈高度為3.5 m時(shí)，布燈間距從11～12 m時(shí)，大型車的閾值增量由48.7%增加到56.6%，增長率為16%，說明在布燈高度為3.5 m時(shí)，不宜加大燈具布設(shè)間距，否則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的眩光，嚴(yán)重影響交通安全。隨著布燈間距的增加，兩種車型的閾值增量之差變化較小，所以增加布燈間距不會(huì)對(duì)隧道眩光限制方面存在顯著差異，換言之，在布燈高度一定時(shí)，改變布燈間距不會(huì)緩解大車的眩光影響。當(dāng)燈具間距一定時(shí)，隨著人眼視線高度的增加，車頂棚遮擋角會(huì)大于20°[22]，這會(huì)將眩光源更多地暴露在駕駛員的視野內(nèi)，這就使得大車閾值增量遠(yuǎn)大于小車閾值增量。為加強(qiáng)隧道對(duì)不同車型的安全通行能力，應(yīng)增加隧道燈具的布設(shè)高度來增大燈具光線入射方向與視線方向的夾角，達(dá)到減小眩光的目的。

3 燈具最優(yōu)布設(shè)尺寸

如圖6所示，在低高度布設(shè)時(shí)，兩種車型都有較大的閾值增量，且大型車閾值增量遠(yuǎn)超隧道照明標(biāo)準(zhǔn)限定值。因此，低高度燈具布設(shè)不利于隧道駕駛安全。

圖6 不同間距、高度下小型車與大型車的閾值增量Fig.6 Threshold increments for small and large vehicles at different pitches and heights

在布設(shè)高度大于4.8 m時(shí)，兩種車型的閾值增量均小于15%，且兩種車型的駕駛員感受的眩光差異不大。布設(shè)高度為4.8 m及以上時(shí)，路面亮度在3.5 cd/m2以上，路面均勻度達(dá)到0.7，屬于高均勻狀態(tài)，能夠提供良好的視看效果。布設(shè)高度為5.5 m，間距為11 m和12 m時(shí)，隧道照明路面均勻度相同，路面平均亮度相差0.3 cd/m2，不同車型的閾值增量相差不超過2.5%，從安全運(yùn)行的角度看這兩種布設(shè)方式均是理想照明狀態(tài)。然而，在采用較大間距布設(shè)時(shí)，可以在一定程度節(jié)省前期隧道燈具設(shè)備的投資成本，對(duì)于后期運(yùn)營費(fèi)用也有相應(yīng)的減少，達(dá)到節(jié)省能源的效果。綜合以上分析，從安全與節(jié)能角度可以選擇布設(shè)高度為5.5 m，布設(shè)間距為12 m的隧道照明最優(yōu)布設(shè)方式。

4 結(jié)論

降低隧道燈具產(chǎn)生的眩光對(duì)提升隧道駕駛安全有重要意義。為探究燈具布設(shè)參數(shù)對(duì)眩光等級(jí)的影響，本文分析了駕駛員的注視點(diǎn)，得到了不同車型駕駛者的等效光幕面設(shè)計(jì)方法；通過對(duì)典型的LED配光形式燈具進(jìn)行仿真研究，分析得到了兩種車型駕駛員在燈具高度與間距變化時(shí)閾值增量的變化趨勢，并對(duì)產(chǎn)生原因從原理上做了解釋說明。主要有以下結(jié)論：

1)眩光等級(jí)閾值增量隨燈具布設(shè)高度的增加而顯著減小，隨布設(shè)間距的增加略有增加。兩種車型駕駛員感受的眩光差異隨燈具布設(shè)高度與間距的增加而減小。

2)燈具布設(shè)高度增加到5.5 m時(shí)，通過增加高度來減小眩光的方法收效甚微。

3)在燈具布設(shè)高度低于3.5 m時(shí)不宜運(yùn)用增大布設(shè)間距的方式來節(jié)省隧道照明能源，此時(shí)會(huì)加劇燈具眩光。

4)當(dāng)采取間距為12 m，布燈高度為5.5 m的LED對(duì)稱布燈時(shí)，大型車輛與小型車的閾值增量均小于隧道照明要求，且兩者差異較小，符合交通安全標(biāo)準(zhǔn)，而且隧道對(duì)通行車輛的要求更低。